《船舶电气设备及系统》课后习题答案

《船舶电气设备及系统》课后习题答案第1章电与磁1-1、铁磁材料具有哪三种性质？答：铁磁材料具有“高导磁率”、“磁饱和”以及“磁滞和剩磁”等三种性质。1-2、为什么通电线圈套在铁心上，它所产生的磁通会显著增加？答：通电线圈未套在铁心上时，其产生的磁通所经过的磁路主要是空气隙，磁阻很大，因此磁通一般较小。当通电线圈套在铁心上时，磁通所经过的磁路有很大的一段是由铁磁材料组成的，磁路的磁阻显著下降，所以它所产生的磁通会显著增加。1-3、铁磁材料在交变磁化时，为什么会产生磁滞和涡流损耗？直流电磁铁的铁心为什么是由整块铸铁制成的？答：①由于铁磁材料有磁滞和剩磁的性质，需要一定的外界提供一定的能量来克服磁滞和剩磁的作用实现交变磁化，因此交变磁化时会产生磁滞损耗。交变磁化的磁通将在铁心中感应电动势，而由于铁磁材料本身具有一定的导电能力，感应的电动势将在铁心中形成涡流（以铁心中心轴线为圆心的同心环形电流），涡流在导体上产生的损耗就是涡流损耗。②直流电磁铁产生的磁通是大小和方向都恒定不变的直流磁通，直流磁通不会产生涡流损耗，因此没有必要象交流电磁铁那样采用硅钢片制造，为了使制造工艺简化，直流电磁铁的铁心就常常采用整块铸铁制成。1-4、标出图1-23中通电导体A、B和C所受电磁力的方向。答：参考书P.17页，根据左手定则，通电导体A所受电磁力的方向为从右往左；通电导体B所受电磁力的方向为从左往右；通电导体C有两个导体，左下边的导体所受电磁力的方向为从左往右，右上边导体所受电磁力的方向为从右往左，若两个导体是一个线圈的两个边，则这个线圈将受到逆时针的电磁转矩。1-5、应用右手定则，确定图1-24中的感应电动势方向或磁场方向（图中箭头表示导体运动方向，⊙表示感应大多数方向）。答：（参考书P.17页）①在图(a)中磁场为左N右S，导体从上往下运动，根据右手定则感应电动势的方向应该为由纸面指向外，即用⊙表示；②在图(b)中磁场为右N左S，导体从下往上运动，根据右手定则感应电动势的方向应该为由纸面指向外，即也用⊙表示；③图(c)感应电动势的方向为，是由外指向纸面，运动方向从下往上运动，根据右手定则，作用两边的磁场应该是左N右S；④图(d)中磁场为右N左S，感应电动势为⊙，是由纸面指向外，导体运动方向应该是从下往上。1-6、什么是自感？如何确定自感电动势的方向？在图1-25所示的电路中，绘出开关SA闭合时自感电动势的方向和开关打开时自感电动势的方向。答：所谓自感，有两层意思：一是指线圈的自感现象；二是指自感系数（反映线圈产生自感电动势的能力，即自感系数L的数值）。①当线圈通入变化的电流时，变化电流产生的磁通也是变化的，变化磁通在线圈本身感应电动势的现象称为自感现象，即由于自身电流在自身感应电动势的现象，简称自感。②线圈的匝数与磁路导磁能力不同时，即使电流的大小和变化率相同，感应的自感电动势将是不同的，反映线圈产生自感电动势能力的参数为自感系数L，简称自感。在自感现象中感应的自感电动势方向与阻碍磁通变化的方向符合右手螺旋定则，即感电动势总是力图阻碍磁通和电流变化的。根据右手螺旋定则，在图1-25所示的电路中，当SA闭合时，线圈中的电流i将按图中所示方向增加，产生的磁通在从下往上的方向上增加，因此自感电动势的方向是线圈的上端为正，下端为负。当SA打开时，线圈中的电流i将按图中所示方向减少，产生的磁通在从下往上的方向上减少，因此自感电动势的方向是线圈的上端为负，下端为正。1-7、交、直流接触器有什么不同点？（注：本题主要指交、直流接触器的电磁机构）答：交、直流接触器的不同点基本上体现在交、直流电磁铁的不同点上，即，它们的电磁机构的不同点上。交、直流接触器电磁机构的主要不同点有：①铁心构造不同，②线圈结构不同，③工作原理方面存在差异。具体如下：铁心构造方面的不同：交流电磁铁的铁心由钢片叠压而成，且一般有短路环；直流电磁铁的铁心一般由整块铸铁制成，且不设短路环。交流电磁铁为了减少涡流损耗，铁心的应该由片间涂有绝缘材料的硅钢片叠压而成。此外为了避免铁心中因磁通过零而出现的吸力为零，从而出现衔铁振动现象，交流电磁铁的铁心一般设有短路环。而直流电磁铁因为稳定运行时不会产生涡流损耗，为了简化工艺等，铁心通常由整块铸铁制成。直流电磁铁铁心产生的吸力恒定不变，因此不需要设置短路环。线圈结构方面的不同：交流电磁铁线圈是带骨架的“矮胖形”线圈，线径粗，匝数少；直流电磁铁线圈是不带骨架的“细长形”线圈，线径细，匝数多。交流电磁铁工作时铁心会产生磁滞损耗，线圈也会产生铜损耗，这些损耗都将转换成热量，为了增加线圈与铁心的散热效果，交电磁铁的线圈通常做成“矮胖形”，绕制在专门的骨架上，与铁心之间形成一定的间隙以利于它们各自的散热。直流电磁铁稳定工作时不会产生铁损耗，温度通常较线圈低，因此，直流电磁铁的线圈通常直接绕在与铁心紧密贴在一起的绝缘材料上，这样，线圈产生的热量容易通过铁心散发，为了增加散热效果，直流电磁铁的线圈则通常做成“细长形”，以利于与铁心的接触面积。此外，交流电磁铁工作时感应电动势平衡电源电压，起限流作用，为了使其有足够的吸力，线圈的线阻应较小，因而线径较粗，匝数少。而直流电磁铁工作时不感应电动势，为了限制通过线圈的电流，线圈的线阻应较大，因而线径较细，匝数多。工作原理方面存在的差异：交流电磁铁是恒磁通型的，直流电磁铁是恒磁势型的。对于交流电磁铁，只要电源电压和频率不变，因为U≈E=4.44NfΦ，其磁通基本不变，因此不管衔铁是否吸合，电磁铁产生的吸力基本保持不变。但是，衔铁吸合前，磁路的磁阻大，线圈通过的电流大；衔铁吸合后磁路的磁阻小，线圈通过的电流小（因为磁势IN=磁阻×Φ，Φ不变而磁阻大，I就大；磁阻小，I就小）。若工作时交流电磁铁的衔铁不能完全吸合，将很容易使线圈因过热而损坏。对于直流电磁铁，要电源电压不变，流过线圈的电流只与线圈的导线电阻有关。已经制好的线圈，电阻不变，线圈通过的电流也不变。因此，不管衔铁是否吸合，电磁铁产生的磁势保持不变。但是，衔铁吸合前，磁路的磁阻大，磁势不变，则产生的吸力小；衔铁吸合后磁路的磁阻小，磁势不变，则产生的吸力大。因此直流电磁铁的线圈通常在衔铁吸合前通以较大的电流以增加其吸力，衔铁吸合后则串入“经济电阻”限制电流，提高线圈的工作寿命，且可避免衔铁因为剩磁而出现不能释放。1-8、交流接触器接到相同电压的直流电源上会出现什么现象？答：交流接触器因其线圈工作时会感应电势，此电势正常工作时起限流作用，为了使其有足够的吸力，线圈的线阻应较小，因而线径较粗，匝数较少。若将其接到直流电路中，由于不能感应出电势，在相同大小的电压下，将产生非常之大的电流（十几甚或几十倍于额定电流），这将使接触器的线圈立即烧毁。1-9、交流接触器为什么要用短路环？答：简单地说，交流接触器用短路环是为了避免衔铁的振动。交流接触器的线圈通过的是交流电流，在铁心中产生的是交变磁通。在一个周期内，交流电流和交变磁通都有两个瞬时值为零的“过零点”。在“过零点”瞬间，铁心产生的电磁吸力为零。而交流接触器的衔铁是靠反力弹簧释放的，工作时衔铁是靠电磁吸力克服反力弹簧作用力而吸合的，因此若不采用短路环，在“过零点”衔铁就会出现振动。短路环是用良导体焊接成的，将铁心的一部分套住。接触器工作时产生的交变磁通也通过被短路环套住的部分铁心，且在短路环中感应电动势，产生电流。短路环中的电流也会产生磁通，而且，接触器线圈产生的磁通为零时（变化率最大），短路环感应的电动势、产生的电流和磁通都达到最大，因此保证接触器线圈电流“过零点”时铁心产生的磁通和吸力不围零，从而避免衔铁的振动。也就是说，交流接触器铁心中的短路环是避免铁心两部分产生的磁通同时为零，从而避免衔铁的振动的。1-10、交流接触器为什么要用钢片叠成？答：交流电磁铁工作时，线圈通入的是交流电流，在铁心中产生的是交变磁通，交变磁通会在铁心中产生涡流损耗。为了减少涡流损耗，铁心的应该由片间涂有绝缘材料的硅钢片叠压而成。1-11、交流接触器铁心卡住为什么会烧毁线圈？（应该说是“衔铁卡住”较合适）答：交流电磁铁是恒磁通型的，只要电源电压和频率不变，因为U≈E=4.44NfΦ，其磁通基本不变，因此不管衔铁是否吸合，电磁铁产生的吸力基本保持不变。但是，衔铁吸合前，磁路的磁阻大，线圈通过的电流大；衔铁吸合后磁路的磁阻小，线圈通过的电流小（因为磁势IN=磁阻×Φ，Φ不变而磁阻大，I就大；磁阻小，I就小）。若接触器工作时交流电磁铁的衔铁卡住（即不能完全吸合），将使线圈一直保持较大的电流，产生的铜损耗增加，很容易使线圈因过热而烧毁。1-12、直流接触器铁心为什么是整块铸铁？为什么没有短路环？答：直流接触器线圈通入的是直流电源，在铁心中产生的磁通是大小和方向都恒定不变的直流磁通，直流磁通不会在铁心产生涡流损耗，因此没有必要象交流接触器铁心那样采用硅钢片制造，为了使制造工艺简化，直流接触器的铁心就常常采用整块铸铁制成。由于铁心中产生的磁通直流磁通，没有“过零点”，在工作时铁心产生的吸力一直保持恒定，因此没有必要设置短路环来防止衔铁的振动。第2章变压器2-1、变压器中主磁通和漏磁通的性质和作用有什么不同？在分析变压器时是怎样反映它们的作用的？答：主磁通：沿铁心闭合，同时与原、副边绕组交链，并在所交链的绕组中感应电动势。它是实现能量转换的媒介，是变压器的工作磁通，占总磁通的绝大部分。无论空在还是运行，只要变压器的端电压一定，主磁通都将不会改变，维持在一个恒定的值。在分析变压器时常以励磁电抗Xm反应主磁通的作用。由于主磁通的磁路是非线性的，故Xm不是常数，随着铁心饱和程度的提高而减小。漏磁通：主要沿非铁磁材料闭合，仅与原边绕组或者副边绕组交链，在所交链的绕组中感应电动势，起漏抗压降的作用，在数量上远小于主磁通。由于漏磁通主要沿非铁磁物质闭合，所经磁路是线性的，它与所交链绕组的电流成正比。在分析变压器时，以漏抗Xσ反映漏磁通的作用。由于磁路基本上是线性的，故Xσ压基本上为常数。主磁通由原边绕组和副边绕组磁通势共同产生，漏磁通仅由原边或副边绕组磁通势单独产生。2-2、感应电动势的量值与哪些因素有关？励磁阻抗Zm的物理意义如何？Xm的大小与哪些因素有关？答：①根据“4.44公式”（即E=4.44fNΦm），影响变压器绕组感应的电动势量值（即幅值大小）的因素有：绕组的匝数、电源的频率和与绕组交链磁通的幅值。②励磁阻抗Zm的物理意义是：阻抗的电阻部分用来反映变压器磁路损耗在一相电路中的等效，阻抗的电抗部分则反映变压器在磁路中产生主磁通时，对电路相电流产生相位的影响和对相电压产生电压降落的影响。其中，励磁阻抗Zm=Rm+jXm，Rm是变压器的励磁电阻，反映变压器铁损大小的等效电阻，不能用伏安法测量。③Xm是变压器的励磁电抗，反映了主磁通对电路的电磁效应。与Xm的大小有关的因素主要有：绕组匝数、磁路磁阻（材料的导磁率和磁路截面尺寸）以及电源频率，因为，Xm=2πf×Lm，而Lm又与绕组匝数、磁路磁阻等有关。当电源频率、线圈匝数和铁心尺寸一定时，Xm主要由绕组的磁导率成正比。2-3、额定电压为110/24V变压器，若将原边绕组接于220V交流电源上，其结果如何？若将220/24V的变压器接于110V交流电源上，其结果又将如何？答：若将110/24V变压器的原边绕组接于220V交流电源上，由于这时原边电压增加一倍，由于U≈E=4.44NfΦ∝Φ，就要求磁路的磁通也增加一倍。但一般变压器设计时都让其铁心工作在半饱和区，在半饱和区再使磁通增加一倍，则励磁电流（空载电流）将大大增加，使绕组的铜耗和铁心损耗大大增加，变压器将很快烧毁。若将220/24V的变压器接于110V交流电源上，磁路的磁通减少，对于变压器运行没有什么不良影响。只是此时磁路完全不饱和，变压器铁心的利用率降低而已。同时，变压器副边输出电压减小为12V，不能满足原来负载的要求。2-4、额定频率为50Hz的变压器接于频率为60Hz的额定电压上，以及额定频率为60Hz的变压器接于频率为50Hz的额定电压上，将对变压器运